复合材料结构干涉连接

复合材料结构干涉连接复合材料结构干涉连接 摘要复合材料可根据原组分材料优点互补特点 因此可设计出综合 性能较出色的材料 为满足结构完整性要求 复合材料连接要求能承受一定的静荷载和 疲劳荷载 复合材料连接部位较大的应力集中使它成为复合材料结构的重要强 度薄弱环节 干涉连接是复合材料接头中非常重要的连接形式 纤维复合材料是人们按照需要创造出来的一类人工结构材料 其主 要优点是沿纤维方向具有很高的比强度和比模量 为减轻结构重量 提供了很大的潜力 本文重点研究了复合材料干涉连接技术 研究材料为连续碳纤维增强树脂基复合材料碳 环氧树脂T300 QY891 1 以下简称复合材料 首先 本文对复合材料力学性能进行了全面细致的介绍 概括了该 领域的国内外研究现状 并在此基础上引出本文的研究宗旨 从数 值模拟方面对其做进一步辅助分析 其次 利用ANSYS10 0软件对平板复合材料接头在单孔铆钉连接拉 伸状态下的力学性能进行了有限元分析 在分析过程中采用静态接 触算法模拟铆钉与复合材料板的干涉配合过程 通过对ANSYS数值模拟发现复合材料相同角度铺层的力学性能由一定 的相似性 对间隙配合下和干涉配合下结构连接处的力学性能进行比较发现复 合材料层合板合适的干涉配合连接下 应力集中得到缓解 结构连 接处的强度得到提高 再次 利用ANSYS10 0软件对平板复合材料接头在单孔铆钉连接下 采用不同干涉量 模量比和摩擦系数时的力学性能进行了有限元分 析比较 结合研究结果和理论推导表明当采用合适的干涉量 模量比和摩擦 系数时 结构连接处强度得到很好的优化 最后 本文对研究内容作了总结 针对论文中暂未解决的问题对后 续工作作了展望 复合材料由于密度低 热膨胀系数小 高温力学性能优异 抗热震 和耐高温烧蚀 被认为是航空航天领域不可替代的热结构材料 已成 功用于航天飞机的鼻锥帽 机翼前缘和航空发动机涡轮引擎部件等 此外 因其摩擦系数小 摩擦性能稳定 被用于多种型号飞机 高速列 车的刹车盘 因其良好的生物相容性和细胞增殖响应行为 被用作心 脏瓣膜 人体关节的替代材料 因其热导率高 原子序数小 抗中子 能力强 亦被成功用于核工业领域 工程技术的快速发展 迫切需要具有大尺寸或复杂形状的构件来满足 特殊的使用要求 由于受到预制体编制技术和CVI工艺自身限制 直接制备大型复杂形 状复合材料构件难度较大 成本高昂 然而复合材料层间强度低 抗冲击能力差 尤其和金属结构相比 连接时复合材料结构的薄弱环节 结构破坏的60 80 发生在连接处 1 1论文研究的背景和意义1 1 1复合材料力学性能概述复合材料由 两种或两种以上性质不同的材料组成 主要组分是增强材料和基体 材料 复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点 而且通过各 相组分性能的互补和关联 获得优异的性能 复合材料的力学性能可以设计 即可以通过选择合适的原材料和合 理的铺层形式 使复合材料结构满足使用要求 综合起来复合材料的力学特点如下 1 各向异性纤维增强复合材料在弹性常数 热膨胀系数和材料强度 等方面具有明显的各向异性性质 各向异性这一特性将使复合材料及其结构的力学问题复杂化 其中 尤以各向异性又是各点坐标的函数最为复杂和困难 正交各向异性和横观各向同性的力学问题相对于各向同性的情况只 是比较复杂但没有太大的困难 2 非均质性和不连续性复合材料的单向层片是由纤维和基体组成 它在微观构造上是不均匀的 叠层复合材料除了层片之内存在着这种不均匀性外 由于铺层材料 和铺层方向第1章绪论2的不同 沿厚度方向又增加了一重不均匀性 材料的不均匀性可使微观的应力和应变不均匀 材料就可能在应力 最大或强度最低或最为薄弱的局部发生破坏 不均匀性尤其是不连续性 再加上各向异性等因素 使得局部的应 力集中和应变集中问题变得非常复杂 使基于连续介质微观力学的 强度和刚度分析产生明显的误差 不均匀性和不连续性对强度的影响要比对刚度的影响大 这是因为 应力和强度是由局部的量决定的 而刚度和弹性模量则是纤维和基 体的平均表现 是由整体的量决定的 3 层问剪切模量较低 层间剪切和层问拉伸强度甚低通常情况下 由于层间剪切模量只有沿纤维方向拉 压模量的数十分之一 在解 决复合材料及其结构的应力分析 特别是在孔口和边界处 变形 稳定和振动问题时 必须考虑沿厚度方向剪切变形的影响 由于层间剪切强度和层间拉伸强度只有纤维方向拉 压强度的数十 分之一 载荷作用下的层间剪应力或层间拉应力常超过其强度而引 起复合材料脱层破坏 4 拉 压模量不同和拉 压强度不等有些复合材料的拉 压模量不 相同而且是非线性的 不过 对于常见的纤维复合材料 模量差别问题并不突出 采用拉 压模量相同的概念 5 几何非线性和物理非线性由于复合材料具有比强度高 比刚度大 和抗疲劳性能好等优点 常做成薄壁轻结构的形式 例如多层 夹 层和加筋板壳及其他薄壁结构等 复合材料的薄壁结构由于强度大 在横向载荷作用下允许较大的变 形 产生了非线性 大挠度 弯曲问题 在屈曲问题中 也需要采用 非线性稳定理论和考虑初始缺陷的影响 复合材料在整体应变或局部应变较大时 剪切模量和横向拉 压模 量这些由基体性能控制的模量会出现比较明显的物理非线性 6 缺口敏感性金属材料一般都有屈服阶段 而复合材料往往直至其 破坏其应力 应变曲线仍呈现性 所以复合材料的静强度缺口敏感性远高于金属 但复合材料的疲劳缺口敏感性则远低于金属 其疲劳缺口系数 一 定循环次数下 无缺口试件疲劳强度与含缺口疲劳强度之比 远小 于静应力疲劳系数 并且在中长寿命下接近于1 7 疲劳性能金属对疲劳一般比较敏感 特别是含缺口结构受拉 拉疲劳时 其疲劳强第1章绪论3度会急剧下降 但复合材料一般都 显示有优良的耐疲劳性能 对于常用的纤维控制的多向层压板 在拉 拉疲劳下 它能在最大应力为80 极限强度的载荷下经受106次循环 在拉 压疲劳或压 压疲劳下 其疲劳强度略低一些 但106次对应的疲劳强度约为相应 静强度的50 特别是压 压疲劳下 含冲击损伤试件106次对应的疲劳强度一般不低于相应静 强度的60 另外含冲击损伤和分层的复合材料结构在疲劳载荷下 一般很难观察到它们在疲劳下的扩展 即使出现损伤扩展 也往往出现在寿命后期 并且很难确定其扩展 规律 8 复杂性经典弹性力学和经典板壳理论都只讨论各向同性体的力 学问题 虽在理论体系上不断完善且日益成熟 但能求解的问题却 很有限 对于复合材料及其结构力学问题 在增加了材料参数 几何参数 时间因素 工艺因素 随机因素和环境因素等的情况下 要对各向 异性 不均匀性 不连续性 沿厚度方向剪切变形和拉压变形的影 响 几何非线性和物理非线性等方面同时予以考虑 求解问题的更 复杂 难度更大 1 2国内外研究现状1 2 1复合材料干涉配合连接研究现状随着复合 材料越来越广泛地应用于飞行器结构 国内外对干涉配合连接复合 材料进行了不少试验和数值模拟研究 国内有较多基于二维有限元分析的研究 然而由于采用二维有限元 分析不得不简化边界条件 因而导致求解精度降低 计算的可靠性 下降 少量基于三维数值模拟的研究方法也由于未考虑干涉量等因 素的影响而不能系统推导接头应力应变的理论值 南京航空航天大 学的许希武等人采用级数和最小二乘技术来进行该项研究 取得了 一些成果 但是采用该方法难于获得各承载孔的准确应力 应变关系 美国斯坦福大学的Sun Hsien Tang等人对单钉连接复合材料板接头进行了三维有限元分析并进行 了试验 较好地解决了单钉连接复合材料板接头的三维有限元分析 问题 西北工业大学王武等的研究证明复合材料干涉配合接头的疲劳寿命 远远高于间隙配合接头的疲劳寿命 干涉量对复合材料干涉配合接 头的疲劳寿命有较大影响 所研究的干涉配合模型的最佳干涉量为1 1 4 采第1章绪论4用静态接触算法来模拟复合材料干涉配合过程是可行 的 四排单列干涉配合复合材料板构件外侧两铆钉将承受较大荷载 与间隙配合连接相比 干涉配合连接条件下 各紧固件的承载比例 将趋于均匀 西北工业大学张桂江的研究结果显示 对复合材料层合板单孔连接 下 连接板的孔边应力相对于无预紧力时也0 45会产生较大的变化 当铺层顺序为 00 450 900 s时 接头的挤压强度最小 对结构最有利 由于计算方法的不断发展和试验手段的进步 对复合材料接头的研 究已经由开始的单一试验研究逐渐过渡到试验和数值模拟相结合 西北工业大学朱云霞通过复合材料层合板干涉连接实验结果和ANSYS 模拟结果对比发现 通过选取合适的单元和定义有针对性的失效准 则 有限元数值模拟得出的结果与实验基本吻合 以往国内外对复合材料连接结构的应用研究以及大量研究成果表明 铺层顺序 螺栓预紧力和孔径 板厚度比对接头强度影响较大 这些都是分析时应注意的影响因素 确定各钉的承载比例是计算多钉连接强度的基础 然而 由于复合材料层间强度低等原因 和金属结构相比 对于多 排机械连接复合材料接头各个紧固件的承载比例从受载一开始便是 不均匀的 而且直到加载结束也不会产生较大的变化 因此 针对复合材料机械连接钉载分配的研究具有极大的实用价值 间隙配合与干涉配合是常用的两种机械连接形式 已经有大量文献 证明采用多排间隙配合后的复合材料接头各个紧固件之间载荷分配 将十分不均匀 王武等的研究证明四排单列干涉配合复合材料板构件外侧两铆钉将 承受较大荷载 与间隙配合连接相比 干涉配合连接条件下 各紧固件的承载比例 将趋于均匀 1 2 2复合材料静载下干涉配合连接研究现状干涉配合用于金属结构 能成倍地提高结构疲劳寿命 已经成为结构延寿的主要方法之一 但对于静载下复合材料干涉连接的强度研究一直鲜有成果 随着实践经验的丰富 静载下复合材料的干涉配合研究也逐渐开展 和深入 但是由于缺乏完善的理论支持和系统的工艺研究 致使复 合材料的干涉配合的研究目前还处于试验阶段 在实际生产中目前复合材料结构仍然不得不大量采用间隙配合 限 制干涉配合 即使采用干涉配合 因为复合材料层间强度低 也只 允许采用较小的干涉量 因此 关于静载下复合材料的干涉配合理论的系统研究具有重要意 义 第1章绪论51 3本文研究的主要内容1 3 1论文研究的主要内容本文 主要研究复合材料干涉连接技术 其中包括干涉量 模量比和孔壁 和紧固件间摩擦系数对复合材料结构连接处强度的影响 1 3 2论文的研究思路 1 参考相关文献 初步介绍复合材料数值计算分析方法 介绍干涉 配合复合材料强化理论 设计数值分析模型 2 根据复合材料特点建立合理有效的单钉干涉连接复合材料板接头 三维有限元模型 通过ANSYS10 0对所建立的单钉连接复合材料板接 头三维有限元模型进行轴向位移下的有限元分析 来对比静载时干 涉配合和间隙配合对结构强度的影响和区别以及相同方向层力学性 能的异同 3 依据所建立的单钉连接复合材料板接头三维有限元模型进行拉伸 试验 通过计算结果分析不同干涉量 模量比和摩擦系数下干涉配 合对复合材料板接头应力集中的影响 4 通过数据分析对比引出以后的研究内容及方向 使干涉配合复合 材料强化理论更加完善 1 4本章小结本章对复合材料力学性能进行了概括总结 阐述了研究复合材料干涉连接强化机理的意义 介绍了本文研究的主要内容和研究意义 第2章复合材料层合板理论6第2章复合材料层合板理论本章首先主要 介绍各向异性材料的应力应变关系以及层合板的应力应变关系和强 度失效准则 作为分析复合材料层合板材料性能的依据 2 1三维各向异性材料的应力 应变关系从宏观力学的角度 一般将复合材料看作均匀的各向异性 材料 在小变形线弹性条件下 各向异性弹性体和各向同性弹性体的力平 衡微分方程和几何关系的表达式是相同的 本质的区别在于物理关 系 即应力 应变关系不同 各向异性的特性决定了各向异形体的应力 应变关系比各向同性体要复杂得多 各向同性体实际上是各向异形 体的一个特例 2 1 1一般各向异性材料的应力 应变关系在各向异形体中一点附近去一个六面体微小单元 单元体 各面上的应力代表了这一点的应力状态 如图2 1所示 一般情况下 一点的应力状况可以用9个应力张量分量 ij i j 1 2 3 来表示 1 2 3为参考坐标轴 其变形形态也可以用相应的9个 应变张量分量 ij来表示 图2 1如下所示第2章复合材料层合板理论7图2 1应力 应变关系可表示为 C 应变 应力关系式为 2113321231233322112121211321 32211221312123213321222111132113131332131213311323133313221 31132213213323232123231322332333222321112211213123212121231 12231233122212113121311331323112313131233133312221112321231 32332231223312323233323222311332133133332331233313323333333 22331122212213223222122231222322332222221111211113113211121 1311123113311221111211332123123332211 CCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCC 2 1 第2章复合材料层合板理论8 下表用符号表示 时 有 Cklijklij 2113321231233 32211212121132132211221312123213321222111132113131332131213 31132313331322131132213213323232123231322332333222321112211 21312321212123112231233122212113121311331323112313131233133 31222111232123132332231223312323233323222311332133133332331 23331332333333322331122212213223222122231222322332222221111 2111131132111211311123113311221111211332123123332211 CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC 2 2 式中 Cijkl为刚度系数 Sijkl为 柔度系数 应力张量和应变张量具有对称 j3 2 1 lkiSklijklij 2 3 性 即有 jiijjiij 2 4 2 1 2单对称材料的应 力 应变关系事实上 材料往往具有不同程度的弹性对称性 单对称材料是指具有一个弹性对称面地各向异性材料 假设图2 1中所示102平面是弹性对称面 沿3轴和 3轴方向上的应力 和应变有以下关系 311323233331132323 3 3 2 5 由此推断 单对称材料的应力 应变关系式为第2章复合材料层合板理论9 单对称材料的应变 应力关系式为 SS 1231233216636261655454544363323 1326232212161312111231233210000000000000000 CCCCCCCCCCCC CCCCCCCC 2 6 1231233216636261655454544363323132 6232212161312111231233210000000000000000 SSSSSSSSSSSSSSSS SS 2 7 对于垂直于弹性对称面的正应力只引起3个方向的正应变 和垂直于正应力平面的剪应变 因此 材料的弹性对称性的存在 可以降低正应力和剪应变或是剪 应力与正应变的耦合程度 降低材料的各向异性 2 1 3正交各向异性材料的应力 应变关系具有3个相互正交的弹性对称面的材料称为正交各向异性材 料 当图2 2中的102 103和203平面均为弹性对称面时 可以得到正交 各向异性材料的应力 应变关系式为 2 123123321665544332313232212131211123 12331000000000000000000000000 CCCCCCCCCCCC 2 8 正交各 向异性材料的应变 应力关系式为 第2章复合材料层合板理论10 12312332166 5544332313232212131211123123321000000000000000000000000 SSSSSSSSSSSS 2 9 2 1 4横向各向同性材料的应力 应变关系对于正交各向异性材料 当三个相互垂直的弹性对称面中 有一个是各项同性时 则称之为横向各向同性材料 同上 横向各向同性材料的应力 应变关系有 2 1231233216666232233231323221213121112 3123321000000000000000000000000 CCCCCCCCCCCCC 2 10 横 向各向同性材料的应变 应力关系 23133 SSS 0 1231233216666232233232212131 21112312321000000000002000000000000 SSSSSSSSSS 2 11 2 2 复合材料层合板力学特性2 2 1复合材料层合板单层板主方向弹性特 性复合材料单层中的纤维是单向平行的 将单层的材料主方向用L T和N来表示 OLTN坐标系如图所示 纤维方向为L方向 垂直纤维方向为T方向 垂直于单层方向为N向 由于单层很薄 应力沿厚度方向近似于均匀分布 单层处于平面应力状态 单层内任意一点不为零的应力分量只有3个 即面内正第2章复合材料层合板理论11应力L T 和剪应力LT 运 用前面各向异形体应力 应变关系式和应变 应力关系式不难推出复合材料层合板单层的应力 应变关系式如下 00ijQ i j 1 2 6 称为二维单层的折算 刚度系数 它不同于三维各向 LTTL LTTLQQQQQ 662212121100 2 12 式中 异形体的刚度系数 是三 维刚度系数的某种组合 其表达式如下CCCQijij i j 1 2 6 2 13 3333Cji2 2 2复合材料单层非材料主方向弹性特性在复合 材料单层中取出一单元体 其材料主方向坐标系和参考坐标系夹角 为 如图所示第2章复合材料层合板理论12假设 sin cos nm 根据平衡方程可得参考坐标系下的张量应变和材料主方向的张量应 变转换具有和应力转换相同的关系式 即 xyyxLTTLnmmnmnmnmnmnnm 2 2 12212222 22 2 14 非材料主方向平面折算刚度系数和材料主方向平面折算 刚度系数的关系式为 3 m 非材料主方向的柔度系数和材料主方 向的柔度系数的关系式为 66122211333333333332222222 2222442222222244222244 26 16 66 12 22 1122244242QQQQmnnmmnn mnmmnnmmnnmmnmnnmnnmnmnmnmnmnmnmnmnmmnnmnmnmQQQQQQ 2 15 第2章复合材料层合板理论13 mn 3 mn 66122211333 3333333322222222222442222222244222244 26 16 66 12 22 112222 2284422SSSSmnnmmnnmnmmnnmnmmnnmnmnmnmnmnmnmnmnmnmnmmnnmnmnm SSSSSS 2 16 2 2 3复合材料层合板的应变 位移关系由于实际应用中 层合板厚度远小于结构的平面尺寸 板 的所有位移都小于板厚 各单层之间黏结牢固 没有相对位移 据此 可对层合板做如下假设 1 直法线假设假设层合板受力变形后 原垂直于中面的法线仍保 持直线并垂直于变形后的中面 因此层合板横截面上的剪应变为零 即 00zxyz 2 17 2 等法线假设原垂直于中面的法线受载后长度不变 应变为零 即0 z 2 18 3 平面应力假设各单层处于平面应力状态 除了其边缘 即有 0 yzxzz 2 19 4 线弹性和小变形假设单层的应力应变关系是线弹性的 层合板 是小变形板 考虑一层合板 如图所示 第2章复合材料层合板理论14由基本假设 可得到层合板x方向和y方 向的中面位移 0 0 和0 以及z方向的位移 是x y的函数 即 00000yxyxyx 2 20 根据弹性力学的应变和位移 关系 可得层合板面内应变为 xx 2 2 21 yxzxyyzyzxyyx xx02202中面的应变分量和曲 率分别为 xyyxxyyx0000000 2 22 第2章复合材料层合板理论15 yxyx2xyyx 22222 2 23 由以上三式可得层合板任意一点的应变公式为 xyyxxyyxxyyxz 00 2 24 层合板中单层的应力 应变关系为 yQQ xyyxkxyyxkkxyxQQQQQQQQQzQQQQQQQ 66 26 16 26 22 12 16 12 11000 662616 26 22 12 16 12 11 2 2 5 2 3复合材料层合板强度破坏准则由于复合材料为各向异性材料 普通各向同性材料的破坏准则通常不能完全适用于复合材料 本 文主要采用以下破坏准则2 3 1最大应力破坏准则最大应力破坏是以 应力值为判据的破坏准则 其内容是 单向层板中各应力分量都要小于相应的强度值 否则材料就会破坏 最大应力准则准则允许有9个失效应变 该准则认为 无论处于何种 应力状态 只要层合板的任一个主向应力达到材料的极限强度 就 发生破坏 若以L T表示顺纤维方向和垂直纤维方向 以Xt Xc Yt Yc和S分 别表示L方向拉伸强度值 L方向压缩强度值 T方向拉伸强度值 T 方向压缩强度值和单向层板的剪切强度值 则破坏判别式为具体表 达式如下对于拉伸应力对于压缩应力即 1 2 12 0即 1 2 12 0第2章复合材料层合板理论16 基纤剪切基体 开裂纤维断裂 1 1 12t2t1SYX 基纤剪切基体开裂纤 维断裂 1 1 1221SYXSC 每组中三个不等式是相互独立的 只要其 中有一个不满足 材料就会破坏 2 3 2Hashin破坏准则 二维模型的Hashin破坏准则基体开裂222122 t222122c1S1SYY 当 0时 当0时 3 1 221122c1SX 基纤剪切当0 时 3 2 212t212c11XX 纤维断裂当 0时 当0时 3 3 三维模型的Hashin破坏准则基体开裂22223 2122t1223222232122c12231SS1SSYY 当 0时 当0时 3 4 第2章复 合材料层合板理12131SSX 基纤剪切当0时 3 5 222313232t1323222132322c13231SS1SS ZZ 分层当 0时 当0时 3 6 212t212c11XX 纤维断裂当 0时 当0时 3 7 2 3 3混合破坏准则该准则 引入强度比的概念 定义极限应力的某一分量与相对应的作用应力 分量的比为强度比 极为R 将准则以强度比的形式表示如下 242RBBAA 3 8 基体开裂 取蔡吴准则作为基体开裂的判据22212122ctc tXXYYS 12122142ct ctctctctc tAXX YYXXYYBXXYYRBBAA 3 9 当某处R 1时安全 R 1时发生基体开裂破坏 基纤剪切第2章复合材料层合板理论18 22112122 42ctctctXXABX XSXXRBBAA 3 10 当某处R 1时安全 R 1时发生基 纤剪切破坏 纤维断裂 212 042ctABX XRBBAA 3 11 当某处R 1时安全 R 1时发生基纤剪切 破坏 由于失效准则是正交各向异性的 因此必须输入所有方向上的失效 应力或失效应变值 在压缩值等于拉伸值时例外 如果不希望在某 个特定的方向上检查失效应力或失效 第3章复合材料干涉连接数值模拟方法19第3章复合材料干涉连接数 值模拟方法本章主要介绍了ANSYS10 0模拟复合材料层合板铆钉单孔 连接的功能 对模拟的全过程都做了详细的例图说明 特别是铆钉 对圆孔干涉的过程做了重点介绍 3 1ANSYS软件求解复合材料结构的功能概述复合材料是由两种或两 种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固 体材料 其主要优点是具有很高的比刚度 复合材料作为结构材料应用已非常普遍 应用范围主要涉及航空 航天 军事 民用等诸多领域 ANSYS程序提供了一种特殊的单元来模拟复合材料 利用这些单元就 可以进行复合材料结构分析 复合材料结构分析也包括建模 加载求解及后处理3个步骤 其中加 载求解及后处理基本同于一般的结构分析过程 建模部分具有其特 殊性 下面主要对其建模部分进行合详细讨论 3 1 1建立复合材料模型与一般的各向异性材料相比 复合材料的建 模过程要相对复杂 由于各层材料性能为任意正交各向异性 根据材料实际情况各个方 向弹性特性有很大区别 在ANSYS中定义的材料性能与铺层方向有关 所以在定义各层材料性 能和方向时要特别注意 材料模型的建立主要考虑四个方面 1 单元类型的选择 2 材料叠层结构的定义 3 定义的失效准则 4 建模和后处理规则 1 单元类型的选择用于建立复合材料模型的单元有SHELL 99 SHELL 91 SHELL 181 SOLSH 190 SOLID 46 SOLID 186 SOLID191共7种单元 对于复合材料层合板 我们主要考虑采用SHELL99和SOLID46两种单 元类型建模 SHELL99是一种8节点3D壳单元 每个节点有6个自由度 该类单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构 一般要求结构宽 厚比大于10 对于宽厚比小于10的结构 则应考虑选择SOLID46单元 建模 SHELL99允许有多达250第3章复合材料干涉连接数值模拟方法20层的 等厚度材料层 或者是125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等 厚度材料层 如果材料层数量大于250 用户可以通过输入自定义的材料矩阵来建 立模型 SHELL99单元可以进行失效分析 另外 该类型单元可以将单元节点偏置到结构的表层或底层 SOLID46单元是一种8节点3D实体单元SOLID45的一种叠层形式 它的 每个节点有3个自由度 可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型 每个单元最多允许有250 层的等厚度材料层 该单元的另一个优点是可以用几个单元叠加的形式来对多余250层的 复合材料建立模型 并允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续 而 且用户也可以输入自定义的本构矩阵 SOLID46单元有一个等效的横向刚度 允许在横向上存在非零应力 应变和位移 它可以指定失效准则 与8节点壳单元相比较 SOLID46单元的阶次要低 因此 在壳结构中要得到与SHELL99单元相同的求解结果 需要更大 的网格密度 Solid46层单元需要定义的材料常数有每层材料各个方向的杨氏模量 泊松比 或剪切模量 密度等 以及每个单元的总层数 每层 的厚度 每层材料的方向角 材料特性号和参考平面等 通过实常 数来定义 单元输出的主要结果除了与Solid45单元相同的部分外 还可输出层 坐标系下的层间各方向的应力 应变等 Solid46层单元主要用来模拟胎体帘布与油皮层 缓冲层 反包部分 等具有第3章复合材料干涉连接数值模拟方法21多层复合结构的部位 每层都可以为各向异性 Solid46层单元的采用 使得可在基本相同分析精度要求下 大幅度 地减少单元总数 提高分析效率 虽然选用SHELL99可以节约计算时间 减少磁盘占用量 但是难以得 到铺层之间厚度上的应力应变 处理紧固件和层合板的接触时也比 较困难 朱云霞通过实验和ANSYS模拟方式对比证实了采用SOLID46研究模拟 复合材料层合板得出的分析结果有很高的准确性 本文采用SOLID46对复合材料层合板进行模拟 2 定义材料的叠层结构复合材料最重要的特征就是叠层结构 每层 材料都可能由不同的正交各向异性材料构成 并且其主轴方向也有 可能不同 对于叠层复合材料 纤维的方向决定了层的主方向 对于复合材料层合板结构 通常通过两种方式定义材料层的配置 1 定义各层的材料性质 对于本文研究的模型来说 主要是定义 复合材料层合板各层铺层角度方向 2 定义表征宏观力 力矩与宏观应变 曲率之间的相互关系的本 构矩阵 3 定义失效准则纤维增强复合材料破坏理论 它们给出纤维增强复 合材料因承受载荷而破坏时应力分量或应变分量应满足的条件 它们建立在单向纤维增强复合材料的简单破坏实验的基础上 是估 算复杂应力或复杂应变状态下单向复合材料强度以及进行复合材料 设计的依据 由于纤维增强复合材料目前多为层板 所以破坏准则是层板强度计 算的基础 失效准则用于获知在所加载荷条件下 各层是否会失效 ANSYS软件中有三种预先定义好的破坏准则 分别为最大应力破坏准 则 最大应变破坏准则和Tsai Wu破坏准则 需要注意的是 它们适用于正交各向异性材料 因此必须在所有的 方向上都要输入失效应力或者失效应变 本文需主要考虑最大应力破坏破坏模式 4 遵循的建模和后处理规则在复合材料单元的建模和后处理中 一 些附加规则如下 1 复合材料会体现出几种类型的耦合效应 诸如弯扭耦合 拉弯 耦合等 这是由具有不同性质的多层材料互相重叠引起的 其结果是 如果材料层的积叠顺序是非对称的 则即使模型的几何 形状和载荷都是对称的 也不能按照对称条件只求解一部分模型 因为结构的位移和应力可能不对称 2 在模型自由边界上的层间剪切应力通常都是很重要的 这些部位相对第3章复合材料干涉连接数值模拟方法22精确的层间剪 切应力 则模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度